La vérification et la validation de logiciel sont des aspects essentiels au succès de tout développement informatique. La vérification de logiciel s'inscrit comme une première phase à accomplir suite à la production d'un nouveau code. La méthode des solutions manufacturées (MSM) est un outil de vérification de logiciel. Ce mémoire présente la MSM appliquée à la mécanique des solides en grandes déformations. Plusieurs discrétisations par éléments finis seront comparées à l'aide de cette méthode. La performance de ces discrétisations sera analysée en terme de convergence, dans une norme appropriée, par rapport à la taille des éléments, le nombre de degrés de libertés, le temps de calcul et la consommation mémoire. Quelques aspects intéressants des éléments mixtes sont présentés et discutés. Les cas test présentés peuvent aussi servir comme bancs d'essais non-triviaux et comme base de vérification de logiciel. / Software verification and validation are important phases in a successfull software developpement. The verification phase is the first to be done just after a new code has been produced. The method of manufactured solutions (MMS) is a software verification tool. In this work, the MMS is used to compare various finite element discretizations for the numerical solution of large deformation problems involving hyperelastic materials. The performance of these different discretizations is analyzed in terms of convergence in a suitable norm with respect to mesh size, computational cost and memory consumption. Some interesting features of mixed finite element discretizations are presented and discussed. The test cases presented can also serve as non trivial benchmark problems and as a basis for code verification.

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Le réchauffement climatique, résultant essentiellement des émissions anthropiques de dioxyde de carbone, demeure un sujet de grande préoccupation. Le captage et la séquestration du dioxyde de carbone est une solution viable permettant de prévoir une baisse des émissions de CO2 issues des importantes sources ponctuelles qui impliquent la combustion des carburants fossiles. Dans cette perspective, les systèmes aqueux d’alcanolamines offrent une solution prometteuse à court terme pour la capture du CO2 dans les installations de production d'électricité. Cependant, ces systèmes sont confrontés à divers accrocs opératoires tels que les limitations d’équilibre, les grandes quantités d’énergie requises pour la régénération, les pertes en solvant et la corrosion prononcée des installations, pour ne citer que ces quelques inconvénients. L’eau étant la principale cause de ces complications, une mesure à prendre pourrait être le remplacement de la phase aqueuse par un solvant plus stable. Les liquides ioniques à température ambiante, dotés d’une haute stabilité thermique et pratiquement non-volatils émergent en tant que candidats prometteurs. De plus, grâce à leur nature ajustable, ils peuvent être apprêtés conformément aux exigences du procédé. La substitution de la phase aqueuse dans les processus utilisant l’alcanolamine par les liquides ioniques à température ambiante ouvre une opportunité potentielle pour une capture efficace du CO2. Un aspect remarquable de ces systèmes serait la cristallisation du produit résultant de la capture du CO2 (c-à-d, le carbamate) au sein même du liquide ionique qui non seulement déjouerait les contraintes d’équilibre mais également pourvoirait une opportunité intéressante pour la séparation des produits. Étant donné le peu d’information disponible dans la littérature sur la viabilité des systèmes utilisant la combinaison d’amine et de liquide ionique, l’étude proposée ici a pour but d’apporter une meilleure compréhension sur l’efficacité à séparer le CO2 d’un mélange de type postcombustion à travers une approche plus systématique. À cet effet, des liquides ioniques à base d’imidazolium ([Cnmim][Tf2N], [Cnmim][BF4], [Cnmim][Otf]) ont été choisis. Deux alcanolamines, à savoir, le 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) et le diéthanolamine (DEA) ont été examinées en détail afin d’explorer la capture du CO2 et les possibilités de régénération qu’offre un système amine-liquide ionique. Les résultats ont révélé l’intérêt de la combinaison DEA-liquide ionique étant donné que ce système pourrait aider à réduire de manière significative l’écart entre les températures d’absorption et de régénération, promettant ainsi une perspective attrayante en termes d’économie d’énergie. En outre, les liquides ioniques ont également été scrutés du point de vue de leur nature hydrophobe/hydrophile afin d’étudier le comportement corrosif du mélange amine-liquide ionique au contact d’échantillons d’acier au carbone. Bien que l’utilisation des liquides ioniques hydrophiles ait aidé à abaisser la vitesse de corrosion jusqu’à concurrence de 72%, l’emploi de liquides ioniques hydrophobes s’avère plus efficace, car annulant quasiment le phénomène de corrosion même dans un environnement riche en CO2. Dans le cas des mélanges immiscibles comme DEA-[hmim][Tf2N], une agitation continue s’avère nécessaire afin d’assurer une dispersion prolongée des gouttelettes d’amine émulsifiées au sein de liquides ioniques et ainsi atteindre une vitesse de capture optimale. / Global warming, largely resulting from anthropogenic emissions of carbon dioxide, continues to remain a matter of great concern. Carbon capture and storage (CCS) is a viable solution to ensure a prevised fall in CO2 emissions from large point sources involving fossil fuel combustion. In this context, aqueous alkanolamine systems offer a promising near-term solution for CO2 capture from power generation facilities. However, these face several operational hitches such as equilibrium limitations, high regeneration energy requirement, solvent loss, and soaring corrosion occurrence. The main culprit in this respect is water and, accordingly, one feasible practice may be the replacement of aqueous phase with some stable solvent. Room-temperature ionic liquids (RTILs), with high thermal stability and practically no volatility, are emerging as promising aspirants. Moreover, owing to the tunable nature of ionic liquids, RTIL phase can be adapted in accordance with the process requirements. Replacing aqueous phase with RTIL in case of alkanolamine based processes provided a potential opportunity for efficient CO2 capture. The most striking aspect of these schemes was the crystallization of CO2-captured product (carbamate) inside the RTIL phase that not only helped evade equilibrium constraints but also rendered a worthy opportunity of product separation. Since there is little information available in the literature about the viability of amine-RTIL systems, the proposed research was aimed at better understanding CO2 separation proficiency of these fluids through a more systematic approach. Imidazolium RTILs ([Cnmim][Tf2N], [Cnmim][BF4], [Cnmim][Otf]) were chosen for this purpose. Two alkanolamines, 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) and diethanolamine (DEA) were examined in detail to explore CO2 capture and regeneration capabilities of amine-RTIL systems. The results revealed the superiority of DEA-RTIL combination as this scheme could help significantly narrow the gap between absorption and regeneration temperatures thus promising a sparkling prospect of attenuating energy needs. Furthermore, ionic liquids were scrutinized in reference to their hydrophobic/hydrophilic nature to study the corrosion behaviour of carbon steel in amine-RTIL media. Though hydrophilic ionic liquids helped decrease corrosion occurrence up to 72%, hydrophobic RTIL appeared to be the most effective in this regard, virtually negating the corrosion phenomenon under CO2 rich environment. In case of immiscible blends like DEA-[hmim][Tf2N], continual agitation appeared to be a necessity to ensure a prolonged dispersion of amine in the RTIL phase and, thereby, to attain an optimal capture rate.

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Une biopile convertit l'énergie disponible dans un substrat biodégradable directement en électricité tout en diminuant sa demande chimique en oxygène (DCO). Ce projet de doctorat a évalué, à une échelle laboratoire, comment cette technologie pouvait être adaptée au traitement du lisier de porc. La construction d'une première génération de biopiles à compartiment unique a été réalisée. Différents supports de croissance bactérienne ont été essayés à l’intérieur du compartiment anodique pour augmenter la superficie sur laquelle les bactéries peuvent se développer et ainsi favoriser la production d’électricité. Parmi les différents supports bactériens utilisés au cours de ce projet, des granules de charbon activé se sont révélés être le meilleur choix. L’analyse des communautés microbiennes extraites des supports de croissance a révélé que seulement quelques genres bactériens provenant du lisier, notamment le genre Desulfuromonas, sont responsables des activités électriques d’une biopile alimentée avec cet effluent d’élevage. Les mécanismes de transfert des électrons entre les bactéries et l’anode s’expliquent essentiellement par la formation d’un cycle de soufre interne dans les biopiles. Après avoir constaté l’empoisonnement de la cathode dans les biopiles à compartiment unique, les travaux se sont poursuivis en réalisant des biopiles à compartiment double. Par souci de rentabilité pour les futures biopiles commerciales, des cathodes maisons à base d’acier inoxydable plaqué par galvanoplastie avec du platine ont été développées. De même, pour augmenter le potentiel des biopiles, du peroxyde d’hydrogène a été retenu comme milieu oxydant dans le compartiment cathodique. Ces biopiles ont fourni en service continu une sortie de puissance volumique moyenne de 63 W•m-3, ce qui figure parmi les meilleurs résultats présentés à date dans la littérature avec une eau usée comme carburant. Les essais réalisés avec ces biopiles ont permis d'observer un abattement de la DCO de 60 %. De plus, les odeurs dégagées par un lisier traité dans une biopile sont, en moyenne, huit fois moins intenses que celles émises par un lisier brut et on note qu’un lisier traité contient dix fois moins de bactéries pathogènes qu’un lisier brut. / Microbial fuel cell (MFC) is a new green technology that converts energy available in a bio-convertible substrate directly into electricity while decreasing its chemical oxygen demand (COD). As MFC seemed to be very promising, this Ph.D. project was devoted to investigate, at laboratory scale, how this technology could perform if swine liquid manure was used as fuel. A first generation, single chamber MFC (SCMFC), has been designed. Various support media were brought into SCMFCs anodic chamber to increase surface area on which bacteria may grow. Through this project, best electrical results were achieved using activated coal pellets as bacterium support medium. Bacterial communities extracted from selected support media were analyzed. These analyzes revealed that only few bacterium genera coming from raw liquid manure are responsible for electrical activities and Desulfuromonas genera was particularly involved in the process. With these bacteria, an internal sulphur cycle is involved to explain electron transfer mechanisms. While platinum based electrode was used as cathode in SCMFC, electrode poisoning yielded only weak power outputs. To overcome this problem, dual-chamber MFCs (DCMFC) were designed. Economical concerns for future commercial DCMFCs led to development of cathodes built around stainless steel wire meshes electro-plated with platinum. In addition, to increase DCMFC potential, hydrogen peroxide solution was retained as oxidizing medium in cathodic chamber. In continuous operation, 63 W•m-3 power output was provided with these 350 mL capacity DCMFCs, which appears to be among best results presented so far in literature with waste water as fuel. Tests carried out with these DCMFCs showed COD reduction of 60 %. Moreover, treated liquid manure odour emissions are, on average, 8 times weaker than those released by raw liquid manure. Finally, it was noted that treated liquid manure contained 10 times less pathogenic bacteria than raw liquid manure.

Le contrôle de la taille et de la morphologie de nanocristaux d’oxydes métalliques simples, d’oxydes mixtes et d’oxydes métalliques hybrides est un sujet de grand intérêt. La dépendance de leur propriétés physio-chimiques avec leurs taille et morphologies, génèrent une variété de leur applications dans plusieurs domaines. Cependant, le dévellopement des nanocristaux en controllant la taille, la forme, l’assemblage et l’homogénéité de la composition chimique pour l’optimisation de propriété spécifiques demandent la combinaison de nombreux parametres de synthèse. Les trois différentes approches ont été développées dans le cadre de la thèse pour la synthèse d’une variété de nouveaux nanomatériaux d’oxydes simples, d’oxydes mixtes et d’oxydes métalliques hybrides dont la taille et la forme ont été bien controllées. Ces méthodes ont été nommées comme des méthodes solvo-hydrothermiques assistées par des molécules structurantes à l’état monophasique (eau ou eau/éthanol) et à l’état biphasique (eau-toluène). Nos approches de synthèse ont permi de préparer des nanocristaux des oxydes de métaux de transition (V, Cr, Mn, Co, Ni, In), et des terres rares (Sm, Ce, La, Gd, Er, Ti, Y, Zr), ainsi que des oxydes métalliques mixtes (tungstate, orthovanadate, molybdate). Ces nanomatériaux sont sous forme colloïdale mono-dispersée qui présente une cristallinité élevée. La taille et la forme de tels nanocristaux peuvent facilement être contrôlées par une simple variation des paramètres de synthèse telle que la concentration de précurseurs, la nature de la molécule structurante, la température et le temps de réaction. A large variété de techniques a été utilisée pour la caracterisation de ces nanomatériaux telles que TEM/HRTEM, SEM, SAED, EDS, XRD, XPS, FTIR, TGA-DTA, UV-vis, photoluminescence, BET. Les propriétés catalytiques de ces matériaux ont aussi été étudiées. Dans ce travail, le contrôle de la cinétique de croissance des nucléides ainsi que le mécanisme gouvernant la forme qui conduit à la taille et la morphologie finale du nanocrystal ont été proposé. L’effet de la taille et de la forme des nanoparticules d’oxyde métallique hybrides sur les propriétés catalytiques pour la réaction d’oxydation du CO et la photo-dégradation du bleue de méthylène a été aussi étudié. Car les catalyseurs existant actuellement à base de métaux nobles sont très couteux et en plus très sensibles à l’empoisonnement par le gas H2S ou les émissions polluantes de SOx. L’activité catalytique des nanocristaux d’oxydes métallique hybrides Cu@CeO2 de formes cubiques dans l’oxydation de CO et de Ag@TiO2 de formes de ceinture dans la photo dégradation du bleue de méthylène ont montré la dépendance de la taille et la forme des nanocristaux avec leur propriétés catalytiques. / The ability to finely control the size and shape of metal oxide, mixed metal oxide, hybrid metal/oxide nanocrystals has become an area of great interest, as many of their physical and chemical properties are highly dependent on morphology, and the more technological applications will be possible for their use. Large-scale synthesis of such high-quality nanocrystals is the first and key step to this area of science. A tremendous effort has recently been spent in attempt to control these novel properties through manipulation of size, shape, structure, and composition. Flexibly nanocrystal size/shape control for both monodisperse single and multiple-oxide nanomaterial systems, however, remains largely empirical and still presents a great challenge. In this dissertation, new synthetic approaches have been developed and described for the synthetic design of a series of colloidal monodisperse metal oxide, mixed metal oxide, hybrid metal-oxide nanocrystals with controlled size and shape. These materials were generally characterized using TEM/HRTEM, SEM, SAED, EDS, XRD, XPS, FTIR, TGA-DTA, UV-vis, photoluminescence, BET techniques. Effect of the size and shape of these obtained hybrid metal-oxide nanocrystals on the catalytic properties is illustrated. We have developed three different new surfactant-assistant pathways for the large-scale synthesis of three types of nanomaterials including metal oxide, mixed metal oxide, hybrid noble-metal-oxide colloidal monodisperse nanocrystals. Namely, the solvo-hydrothermal surfactant-assisted methods in one-phase (water or water/ethanol) and two-phase (water-toluene) systems were used for the synthesis of metal oxide (transition metal-V, Cr, Mn, Co, Ni, In and rare earth-Sm, Ce, La, Gd, Er, Ti, Y, Zr) and mixed metal oxide (tungstate, orthovanadate, molybdate). The seed-media growth with the assistant of bifunctional surfactant was used for the synthesis of hybrid noble metal@oxide (Ag@TiO2, (Cu or Ag)@CeO2, Au/tungstate, Ag/molybdate, etc.) nanocrystals. A significant feature of our synthetic approaches was pointed out that most resulting nanocrystal products are monodisperse, high crystallinity, uniform shape, and narrow distribution. The size and shape of such nanocrystals can be controlled easily by simple tuning the reaction parameters such as the concentration of precursors and surfactants, the nature of surfactant, the temperature and time of synthetic reaction. The prepared nanocrystals with the functional surface were used as the building blocks for the self-assembly into hierarchical mesocrystal microspheres. The effective ways how to control the growth kinetics of the nuclei and the shape-guiding mechanisms leading to the manipulation of morphology of final products were proposed. Our current approaches have several conveniences including used nontoxic and inexpensive reagents (most using inorganic metal salts as starting precursors instead of expensive and toxic metallic alkoxides or organometallics), relatively mild conditions, high-yield, and large-scale production; in some causes, water or ethanol was used as environmentally benign reaction solvent. Catalytic activity and selectivity are governed by the nature of the catalyst surface, making shaped nanocrystals ideal substrates for understanding the influence of surface structure on heterogeneous catalysis at the nanoscale. Finally, this work was concentrated on demonstration of heterogeneous catalytic activity of hybrid metal-oxide nanomaterials (Cu@CeO2, Ag@TiO2) as a typical example. We synthesized the high-crystalline titanium oxide and cerium oxide nanocrystals with control over their shape and surface chemistry in high yield via the aqueous surfactant-assist method. The novel hybrid metal-oxide nanocrystals were produced by the depositing noble metal ion (Cu, Ag, Au) precursors on the pre-synthesized oxide seeds via seed-mediated growth. The catalytic activity of these metal-oxide nanohybrids of Cu@CeO2 nanocubes for CO oxidation conversion and Ag@TiO2 nanobelts for Methylene Blue photodegradation with size/shape-dependent properties were verified.

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Dans ce travail, deux types de nanomatériaux poreux ont été obtenues: des nanozéolithes et des matériaux à réseau organométallique (MOF). Pour les nanozéolithes, deux nouvelles méthodes de synthèses ont été développé: une méthode à phase unique et une méthode biphasique. Dans la méthode à phase unique, une quantité du gel-zéolithique est ajoutée à une solution de toluène/n-butanol contenant l’agent silylant organosilane. Après 12 heures à 60oC, une phase homogène est obtenue. Ce mélange est traité hydrothermalement pour produire une nanozéolithe fonctionalisée. En revanche, la méthode de synthèse à deux phases, implique l’introduction de l’organosilane mélangé à un solvant organique dans le gel de zéolithe aqueux conduisant ainsi à un mélange biphasique. Après mélange et traitement hydrothermal, des nanozéolithes fonctionalisées par silylation sont obtenu dans la phase organique et de larges cristaux de zéolithes sont obtenus dans la phase aqueuse. En principe, les deux méthodes utilisent l’organosilane pour empêcher la croissance des cristaux. Le solvant organique joue le rôle de dispersant des nanozéolithes fonctionalisées avec l’organosilane à partir de la phase aqueuse, et contrôle le processus de croissance des nanozéolithes. Ces deux méthodes de synthèse sont applicables autant aux zéolithes MFI que FAU, telles que silicatite-1, ZSM-5 et NaY. Elles peuvent être étendues à la synthèse d’autres types de zéolithes. L’activité catalytique de ces nanozéolithes a été évaluée pour le craquage de FCC. Les résultats indiquent que la nanozéolithe de type FAU montre une bonne activité dans cette réaction. Pour l’étude des matériaux à réseau organométallique (MOF), une nouvelle approche a été développé pour la synthèse de MIL-88B en utilisant un cluster neutre de métaux mixtes bimétalliques Fe2Ni(µ3-O). Les clusters occupent les nœuds du réseau MIL-88B à la place du mono-métal Fe3 (µ3-O) avec un anion compensateur. Ce dernier est le cluster formant le réseau du Fe3MIL-88B non-poreux qui est obtenu par la méthode conventionnelle. De ce fait, en absence des anions compensateurs dans la structure, Fe2Ni MIL-88B devient un matériau poreux. De plus, avec la combinaison de la flexibilité de MIL-88B et des métaux mixtes comme nœuds dans le réseau, la porosité peut être contrôlée par échange avec des ligands terminaux du réseau. Ceci nous a permis de moduler d’une manière réversible la porosité de MIL-88B à différents niveaux, ainsi que la surface spécifique et le volume de pores dépendant de taille de ligands échangés. Le mécanisme de synthèse a été aussi étudié pour les matétiaux Fe3-MIL88B et Fe2Ni-MIL88B. Les résultats montrent que pour la synthèse de Fe3-MIL88B, le mono-métal Fe3-MOF-235 est comme le précurseur pour la formation de MIL-88B. Dans le cas d’utilisation de métaux mixtes Fe2Ni(µ3-O), les mono-métal Fe3-MOF-235 est formés en premier lors de la synthèse du métal mixte Fe2Ni-MIL88B. Il est montré que la présence de l’anion FeCl4- est déteminante dans la formation de la phase initiale MOF-235 et dans le succès de la synthèse du MIL-88B mono- ou bimétallique. L’anion FeCl4- est très important pour le succès de la formation de MOF-235. Un mécanisme d’anion médiateur dans la formation de MOF-235 a été suggéré. / In this thesis, two types of nanoporous materials: nanozeolites and metal-organic frameworks were studies. For nanozeolites, two novel methods e.g. single-phase and two-phases were reported for the synthesis of nanozeolites. In the single-phase synthesis method, a proper amount of zeolite gel solution was added to a toluene/n-butanol solution containing an organosilane. After 12 hours at 60oC, a single phase mixture was obtained. This mixture was then subjected to hydrothermal crystallization to produce uniform functionalized nanozeolites. In contrast, the two-phase synthesis method involved the introduction of an organic solvent containing organosilane to the aqueous zeolite gel solution, resulting in a two-phase mixture. Upon mixing and hydrothermal treatment of this mixture, organosilane-functionalized nanozeolites were obtained in the organic phase whereas, large zeolite crystals were found in the aqueous phase. In principle, both methods employed the use of organosilane to inhibit the crystal growth. The organic solvent acted as the medium for the dispersion of nanozeolites functionalized with organosilane from the aqueous phase, which led to the complete halt of the growth process. These two methods were demonstrated to be applicable to the synthesis of MFI and FAU nanozeolites such as silicalite-1 and NaY, and could be applied to the synthesis of other types of zeolites. Catalytic activity of the synthesized nanozeolites was evaluated by the cracking reaction of FCC feed. The result showed that FAU nanozeolites can be good catalysts for the cracking reaction. For the study of the metal-organic frameworks (MOF), a new rational approach was developed for the synthesis of mixed metal MIL-88B metal organic framework based on the use of neutral bimetallic cluster, such as Fe2Ni(µ3-O) cluster. Unlike the conventional negative charged single metal cluster, the use of neutral bimetallic cluster as a framework node avoids the need of compensating anion inside porous MIL-88B system; thus such a bimetallic MIL-88B becomes porous. The flexibility of the mixed metal MIL-88B can be controlled by terminal ligands with different steric hindrance. This allows us to reversibly customize the porosity of MIL-88B structure at three levels of specific surface area as well as the pore volume. Synthesis mechanism was also studied. It was found that the monometallic Fe3-MOF-235 is the precursors to the formation of MIL-88B. MOF-235 comes first then later transforms to Fe3-MIL-88B or acts as seeds for the formation of mixed Fe2Ni-MIL88B. FeCl4- anion is very important to the successful formation of MOF-235. An anion mediated mechanism of the formation of MOF-235 is suggested.